摘? 要: 隨著因特網的高速發展,能夠以線速處理網絡傳輸數據并提供服務質量(QoS)的網絡處理器" title="網絡處理器" target="_blank">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" title="網絡處理器">網絡處理器" 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　　關鍵詞: 服務質量? 網絡微處理器? 可編程狀態機技術? 協處理器? 路由器?

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1 在IP網絡中實現QoS的必要性?

　　QoS(Quality of Service) 是網絡使用各種技術,為選定的傳輸量提供更好的服務。QoS的主要目的包括保證足夠的帶寬,可控制抖動和延遲(為一些實時和交互式的傳輸量)及改良的丟包特性。?

　　傳統的IP網絡是一個盡力而為(Best Effort)的系統,既不能保證分組傳輸的及時性,也不能保證分組的時間序列性——這是因為它更關注向哪里發送分組,而較少注意發送分組的時間。但是,隨著網絡多媒體的應用和網絡上PC數量的爆炸式增長,提出許多新要求:企業的IP intranet和商業IP骨干網應在端到端的行為上具有更高的可預測性;中級和頂級IP骨干網的ISP也需要在其廣域IP網絡上提供可預測的并有保證的服務;由于帶寬不是無限的,傳統的解決方法——“網絡出現擁塞時就增加帶寬”也變得不再實用。因此,通過對網絡資源的合理分配來滿足各種業務需求的QoS控制機制已成為IP網絡的迫切要求,也是多業務互聯網的基礎。?

2 路由器如何提供QoS?

　　為實現QoS，除了轉發分組到正確的下一跳之外,路由器必須實現分類、排隊和調度功能以提供不同的轉發特性。分組分類階段建立一個分組在隨后的路由器中被處理的上下文(context),用于建立瞬時處理特性(管制、標記、排隊和調度)。對于現有的IP網絡,通常采用MF分類。典型的MF分類器要求分類關鍵字覆蓋標識特定終端的源和目的IP地址。當分組通過路由器時,將檢查地址、協議和端口號多達104比特。?

3 網絡微處理器?

　　網絡微處理器是對網絡上傳輸的數據進行高效快速處理的專用微處理器,主要功能是對網絡上傳輸的數據分組提供高效快速的處理以及QoS功能的實現。網絡處理功能模塊位于物理層和轉換功能之間,主要完成對分組的成幀和驗證、分類、修正、加密以及排隊的功能。如圖1所示。?

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　　網絡應用的巨大市場吸引了包括Intel、Vitesse、IBM、Solidum等眾多世界頂級集成電路生產廠家。在目前領先的十幾家網絡處理器供應商中,沒有哪兩家的產品是完全一樣的。有些供應商主要針對局域網或邊緣配置,另一些則傾向于主干網或廣域網。網絡處理器的類型也很多,因此定義網絡處理器比定義存儲器、PLD這樣的半導體產品更加復雜。本文采用廣義的網絡處理器定義,即包括可以完成全部或部分網絡處理功能的專用處理器。?

　　目前各種NPU的體系結構可分為4種類型:?

　　(1)嵌入式 RISC?

　　使用常用的可編程RISC(Reduced Instruction Set Computers),RISC機每秒可執行一定數目的指令。但是RISC機的核心——基本控制器是一個硬件編碼(hard-coded)狀態機。該狀態機的功能一般是為了更方便地獲取和執行指令,而不是直接執行分類功能,因此效率不高。其代表產品是Intel公司的“IXP1200網絡微處理器”,主要用于硬件路由器的智能切換處理以及頻帶控制等的QoS處理。?

　　(2)大規模并行處理?? ?

　　大規模并行處理體系在處理大量相互獨立的數據時非常有效,但它的價格較高,硬件設計的靈活性和軟件設計的可編程性不高。另外,在對多個數據分組進行并行處理時,會丟掉隊分組間關聯狀態的分析。?

　　(3)基于CAM?

　　以CAM為基礎的體系結構是目前市場上流行、較為便宜的一種解決方案。CAM包含了一個巨大的、可快速查找的數據表。CAM的內容描繪了將被查找數據的位模式,分類需查看分組中的n比特,可能的位模式為2ⁿ。但由于實際上許多組合是不存在的,因此CAM只需存儲可能的位模式的一部分。例如在簡單分類中n=64,則可能的位模式可達2⁶⁴(2×10¹⁹),而實際需要的CAM也許只要1M比特。但在下一代Internet上,為分組和應用服務提供QoS,需要檢測分組中的128～256 比特,即有2^128～256種組合,這就需要很多的CAM。典型的產品如Sibercore公司的SiberCAM^TM Ultra-2M,它以一個專用先進的三態CAM結構為基礎,可用于幾千兆/兆兆的路由器和多層次的企業交換器。Ultra-2M通過使用掩碼來降低位模式的存儲量,最多可使數據項由原來的2ⁿ個降到2(n-1)個,解決了多比特分類對CAM容量的要求。有較強的自學習功能,但在可編程性上還有待改進。?

　　(4)可編程狀態機(Programmable State Machine) ??? ?

　　傳統的PSM技術存在的問題是:其策略由狀態樹(state tree)描繪,當策略必須深入檢查分組的k比特時，狀態樹將會有 2^k-1個葉子,當k比較大時(而這又是實現QoS的必然要求),對存儲器的要求將不能被滿足。對此,Solidum 公司提出以狀態圖(state graph)代替狀態樹對策略(policy)進行描述的解決方案,并通過一系列應用程序對存儲器進行最優化,結果可使一個復雜的策略在協議應用層只占用512K的RAM。代表產品是去年上市的PAX.port 1100分類器,使用增強型PSM體系結構,由一個與存儲器結構相連接的高密引擎組成,可以用線速識別和標記分組。值得一提的是,PAX.port 1100有一套專門的軟件開發工具PAX.works,這是一套提供開發運行環境的軟件,可使用PAX PDL創建PAX.port 1100分類器的策略存儲器的內容。PAX PDL是第四代語言,與C語言類似。可以說,在各種類型的微處理器中,PAX.port 1100在可編程上占有優勢。?

4 網絡微處理器的應用?

　　網絡處理器可用于WAN邊緣設備、DiffServ路由器、協議分析器、VOIP網關和防火墻等網絡設備上。以路由器為例,圖2是一個典型的分布式交換網的結構。?

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　　其中,每一個line card的結構如圖3所示。?

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　　表1比較了在不同的應用中,如防火墻、虛擬專用網絡服務(VPN)、VOIP(Voice over IP)網關、層間交換L(n)SW (Layer N Switches)、SeNIC(Security Network Interface Cards)和cable HE(Head end Equipment)等處理功能所占的帶寬百分比。?

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　　可以看出:大部分網絡處理帶寬均與數據包的分類有關。在實現QoS的體系中,必須等到分類完成,網絡應用才可以知道在要求的服務下如何處理分組。因此,無論網絡處理是由硬件完成還是由軟件完成,大部分的處理周期都將用在分類上。因此,將用于完成分類或查找功能的專用處理器作為協處理器結合使用,無論是對傳統路由器的升級,還是提高網絡處理器的速度和性能,都是一種經濟高效的方法。?

　　采用圖4所示的子系統設計,CPU在分組分類、解析和查表上的高強度作業負載將從網絡處理分離到CAM聯合處理器子系統中去,網絡設計者將獲得線路速度的提高。這種方法具有靈活的、可編程的分組分類能力和高速查表的解析能力及升級維護方便的特點,增強了OEM線路卡的整體靈活性,減少了網絡處理所需板卡固定資產的總量,從而降低了制造成本。?

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5 網絡微處理器的發展趨勢?

　　網絡微處理器的地位不管是在市場上還是在技術上都日漸鞏固。網絡微處理器除了要滿足局域網和廣域網對帶寬需求的增長以外,還要以線速對數據、語音以及視頻信號進行排序和處理,以滿足下一代因特網服務需求。?

　　網絡微處理器有兩大發展趨勢,一是能夠通過網絡處理器產品線提供更多網絡功能選擇。網絡芯片供應商們正在設法獲取專門技術,使其能夠在網絡微處理器之外,進一步推出宿主CPU、交換結構、搜索引擎以及支持接口芯片等。二是可編程性,通信網絡技術發展日新月異,而基于可編程的網絡微處理器能方便、快速地升級并增加新功能,延長設備的生命周期。因此,可編程性將成為網絡微處理器的主流。另外,因特網的安全性和數據流量分類越來越引起人們的重視,這要求網絡微處理器能智能化地識別與處理經過分組的流量，更好地滿足網絡處理要求。?

參考文獻?

1 Shay， W.A著，高傳善譯.數據通信與網絡教程.北京:機械工業出版社?

2 Grenville Armitage著，隆克平，龔向陽譯.IP網絡的服務質量.北京:機械工業出版社?

3 李津生， 洪佩琳.下一代的Internet技術.北京:人民郵電出版社，?

4 網絡微處理器研發動態.(電子文檔,摘自 www.21ic.com)?